來源：神經(jīng)科學(xué)臨床和基礎(chǔ)

鴿子總能找到回家的路，這種非凡的導(dǎo)航能力一直令科學(xué)家著迷。在過去五十年中，行為學(xué)研究已證實包括鴿子在內(nèi)的多種動物能感知地球磁場，但磁感的神經(jīng)機制和分子基礎(chǔ)始終是未解之謎。

2025年11月，《科學(xué)》雜志發(fā)表了一項里程碑研究，德國慕尼黑大學(xué)團隊通過全腦活動圖譜繪制和組織透明化技術(shù)，首次確定了鴿子大腦中響應(yīng)磁刺激的神經(jīng)元群體。

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磁感受的生物學(xué)謎題

關(guān)于動物如何感知磁場，科學(xué)界長期存在兩種主流假說。一種認(rèn)為鳥類視網(wǎng)膜細(xì)胞中存在量子物理效應(yīng)，使它們能夠“看到”磁場。

另一種假說則猜測，鳥喙中的微小氧化鐵顆粒可能像微型指南針一樣工作。

然而，這些假說都缺乏確鑿的神經(jīng)證據(jù)。磁感受的基本問題一直懸而未決：動物體內(nèi)什么結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)檢測磁場？信息如何傳遞到大腦？哪些腦區(qū)參與處理這些信號？

研究人員意識到，解決這一難題需要一種全新的研究思路和技術(shù)手段。傳統(tǒng)的神經(jīng)科學(xué)方法因局限于特定腦區(qū)，可能錯過關(guān)鍵的神經(jīng)回路。

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全景成像的技術(shù)突破

團隊還采用了先進的組織透明化和光片顯微鏡技術(shù)，使整個鴿子大腦變得透明，從而可以精確觀察和量化被磁刺激激活的神經(jīng)元位置。

實驗設(shè)計中，研究人員讓鴿子暴露在比地球磁場稍強的磁場中超過一小時。鴿子頭部被固定，磁場持續(xù)旋轉(zhuǎn)，模擬鴿子頭部相對于地球磁場的自然運動。

為確保結(jié)果可靠性，團隊還在完全黑暗的條件下重復(fù)實驗，以排除光線對磁感機制的潛在影響。

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磁感神經(jīng)回路的確證

通過比較暴露于磁場的鴿子與對照組的大腦活動圖譜，研究人員發(fā)現(xiàn)了兩個關(guān)鍵的腦區(qū)顯示出一致的、與光無關(guān)的神經(jīng)元激活。

內(nèi)側(cè)前庭核表現(xiàn)出強烈的雙側(cè)神經(jīng)激活，這一區(qū)域負(fù)責(zé)處理前庭系統(tǒng)傳來的信號，與平衡感和空間定向密切相關(guān)。

尾側(cè)中顳葉也顯示出顯著激活，這個腦區(qū)參與多種感覺刺激的整合處理。

這些發(fā)現(xiàn)表明，磁感信息首先在前庭系統(tǒng)中被處理，然后傳遞到更高的感覺整合中心。這一前庭-中顳葉回路很可能構(gòu)成了鴿子磁感導(dǎo)航的神經(jīng)基礎(chǔ)。

04

內(nèi)耳的電磁感應(yīng)機制

團隊進一步探究了前庭系統(tǒng)感知磁場的具體機制。他們對鴿子半規(guī)管壺腹嵴的細(xì)胞進行了單細(xì)胞RNA測序，試圖找出潛在的磁感受細(xì)胞。

分析結(jié)果揭示了一類特殊的II型毛細(xì)胞，它們表達(dá)一種電壓門控鈣離子通道的特殊剪接受體。

這種蛋白質(zhì)此前被發(fā)現(xiàn)在鯊魚和鰩魚的電磁感受中起關(guān)鍵作用，這些海洋生物能感知獵物產(chǎn)生微弱電場。

在鴿子內(nèi)耳中，這些經(jīng)過修飾的鈣通道蛋白形成了一個電磁感應(yīng)系統(tǒng)。當(dāng)鴿子頭部在地球磁場中移動時，半規(guī)管中充滿的液體就會像導(dǎo)線在磁場中運動一樣，產(chǎn)生微弱的電流。

研究人員通過物理計算證實，磁場刺激確實能在鴿子半規(guī)管內(nèi)誘導(dǎo)出處于電感受系統(tǒng)生理范圍內(nèi)的電場。

這些特殊毛細(xì)胞能檢測這些微小電流，就像海洋生物的電感受器一樣，然后將信號傳送到大腦。

05

生物物理模型的驗證

基于這些發(fā)現(xiàn)，研究團隊提出了一個完整的磁感受模型：當(dāng)?shù)卮艌雠c鴿子頭部的運動互動時，會在半規(guī)管中誘導(dǎo)出微弱的電流。

這些電流被那些表達(dá)特殊鈣通道的毛細(xì)胞檢測到，隨后將信號通過前庭神經(jīng)傳遞到腦干的前庭核。

從前庭核，信息被中繼到更高的腦區(qū)，包括尾側(cè)中顳葉，在那里磁信息可能與視覺、本體感覺等其他感官信號整合，形成精確的空間地圖和導(dǎo)航指令。

這一模型優(yōu)雅地解釋了鴿子如何通過簡單的電磁感應(yīng)原理，將地球磁場轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號，指導(dǎo)它們的長途導(dǎo)航。

鴿子內(nèi)耳中的每個壺腹嵴都像一臺生物發(fā)電機，當(dāng)頭部轉(zhuǎn)動時，半規(guī)管內(nèi)的淋巴液流動，像導(dǎo)線切割磁感線一樣產(chǎn)生電流，被表達(dá)特殊鈣通道的毛細(xì)胞捕獲，地磁場就這樣變成了神經(jīng)信號。

這一發(fā)現(xiàn)不僅解開了鳥類導(dǎo)航的奧秘，也為人類研究生物導(dǎo)航機制打開了新的大門。

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